用于监控低通滤波器的方法和装置以及电池管理系统、电池以及车辆与流程

文档序号:33507385发布日期:2023-03-18 04:39阅读:303来源:国知局
用于监控低通滤波器的方法和装置以及电池管理系统、电池以及车辆与流程

1.本发明涉及一种用于监控低通滤波器的方法和装置。此外,本发明涉及一种电池管理系统和一种具有这样的电池管理系统的电池。最后,本发明涉及一种车辆。


背景技术:

2.电池、特别是基于锂离子技术的电池一般具有电池管理系统。一般而言,电池管理系统用于监控电池以及用于控制相应配设的电池的充电过程和放电过程。
3.由于电池管理系统在许多使用目的中、特别是在车辆中本身是与功能相关的,所以有利的是本身在功能方面监控电池管理系统的至少部分的功能。
4.电池管理系统经常包括低通滤波器,以便简化地在功能故障方面监控电池。


技术实现要素:

5.因此,本发明的任务是简化地监控这样的功能故障。
6.所述任务以一种根据权利要求1所述的方法和一种根据权利要求9所述的装置来解决。此外,所述任务通过一种根据权利要求11所述的电池管理系统以及一种根据权利要求12所述的电池来解决。最后,所述任务通过一种具有这样的装置的车辆来解决。
7.本发明的其它有利的设计方案分别是从属权利要求的主题。
8.(pa1)在用于监控低通滤波器的方法中,所偶数低通滤波器包括至少一个电阻和至少一个电容器,所述电容器与所述电阻并联连接,其中,确定关于所述电容器的一侧的电压,在所述电容器上的电压能以至少一个开关在第一额定电压值与第二额定电压值之间切换,其中,所述方法至少包括以下步骤:
[0009]-在第一时刻检测第一实际电压值,
[0010]-进行从第一额定电压值到第二额定电压值的切换过程,
[0011]-在第二时刻检测实际电压值,所述第二时刻在时间上设置在所述切换过程之后,
[0012]-确定相应的实际电压值的第一差值,
[0013]-如果至少所述第一差值超过或低于第一阈值,则提供警告信号。
[0014]
在此,低通滤波器可以特别是理解为rc电路。
[0015]
作为所述电阻,优选地使用可变电阻、如与温度相关的电阻。所述电阻的值可以相应于所测量的参量、如电池单体的温度、电池的温度、电池单体的充电状态和/或具有多个电池单体的电池的充电状态。
[0016]
所述切换过程通过开关的转换来进行,其中,所述开关有利地集成到集成的开关电路、特别是asic模块中。
[0017]
所述电容器具有电容并且特别是构造为薄膜电容器。在此,术语“电容器”和“电容”同义地使用。所述电容器例如用于使电路(如用于监控电池单体或电池的装置)排除干扰。有利地,所述电容器将在时间上快速变化的干扰电压尽可能不受阻碍地引导至接地并
且因此用于改善用于监控的装置的稳定性。在有故障的状态下,所述电容器不导通。
[0018]
所述实际电压值优选借助电压检测单元来检测。电压检测装置优选与所述可变电阻串联连接。电压检测装置优选用于确定存在于电容器上的电压。
[0019]
所述可变电阻可以与一个另外的电阻相配设,其中,这两个电阻优选分别与电压检测装置串联连接。
[0020]
有利地,以周期性时间间隔确定所述实际电压值。有利地,所述第一时刻设置在切换过程处或在时间上紧挨在切换过程之前。示例性地,所述第一时刻设置在切换过程之前0.01毫秒至0.1毫秒。
[0021]
有利地,每10毫秒进行切换过程,从而可以在几毫秒之内确定时间常数。
[0022]
有利地,当电压在低通滤波器按照规定起作用时上升/下降确定的系数时,所述第二时刻可以这样设置。特别优选地,第二时刻设置在切换过程之后的一个时间常数之后,其中,所述时间常数与所述电阻和所述电容器的电容的乘积成比例。
[0023]
所述第二时刻也可以设置在所述时间常数的值的0.5倍至1.5倍的时间范围内。
[0024]
备选地,所述第二时刻可以这样设置,使得在低通滤波器能正常工作的情况下,电压上升/下降到所述两个额定电压值的差值的大约一半。
[0025]
因此,所述第一阈值可以选择成所述电压值的差值的四分之一和/或四分之三。
[0026]
所述警告信号可以构造成声学信号或光信号,从而能够对电容器、低通滤波器或具有低通滤波器的系统进行检查。优选地,所述警告信号作为电压信号、例如作为ttl信号提供,因此可以激活中央监控系统。
[0027]
通过本发明,能够借助对电压值的简单监控以非常简单的方式监控低通滤波器。特别是,借助本发明能够容易地实现电容器的功能性。此外,利用前面描述的方法也可以简单且有效地监控其它系统参量。
[0028]
(pa2)在本发明的一种有利的实施方案中,借助所述差值来确定时间常数、特别是电压上升或电压下降,其中,借助所述时间常数能确定所述电阻和/或所述电容器的状态。
[0029]
在此所考虑的低通滤波器中,电压通常以时间常数指数式地上升/下降地变化。所述时间常数有利地是所述电阻和所述电容器的电容的乘积。
[0030]
由于对于低通滤波器而言,电压的指数式上升或指数式下降是已知的,因此实验地确定的时间常数可以针对所述电阻和/或所述电容的功能测试给出结论。
[0031]
所述时间常数有利地可以相应于电阻和电容的乘积。因此,在已知所述电容的情况下,能够简单地并且以高的精度确定所述电阻。
[0032]
借助所述时间常数可以容易地确定可变电阻和/或电容的值。
[0033]
(pa3)在本发明的另一种有利的设计方案中,所述第一时刻紧挨在所述切换过程之前地设置,其中,所述第二时刻设置在所述切换过程之后的一个时间常数处。
[0034]
有利地,第三时刻在时间上设置在所述切换过程之后的两个时间常数处。
[0035]
所述第一时刻可选地也可以选择为在所述切换过程之后不久或选择为所述切换过程的时刻。所述切换过程有利地触发电压检测单元,从而该电压检测单元在所述切换过程中检测第一电压值。
[0036]
优选地,所述第二时刻选择为在所述切换过程之后不久,在通常选择的用于电容和电阻的值情况下有利地选择大约0.01毫秒至1毫秒的值。
[0037]
优选地,所述第二时刻这样选择,使得所述第一电压值和所述第二电压值的差值大致相应于最大差值的一半。所述最大差值相应于在有故障的、不导通的电容的情况下会出现的电压值的差值。换句话说,所述最大差值大致相应于第一额定电压值与第二额定电压值的差值。
[0038]
通过有利地选择各时刻可以实现对所述低通滤波器的特别可靠的检查或者对所述电容器的特别可靠的检查。
[0039]
(pa4)在本发明的另一种有利的设计方案中,所述电阻是可变电阻。可变电阻有利地用于确定温度、例如电池的温度或至少一个电池单体的温度。
[0040]
所述电阻优选本身有利地构造为ntc电阻或者ptc电阻。
[0041]
优选地,所述可变电阻这样构造,使得电阻随时间的变化比切换过程明显更缓慢地进行。因此,温度的变化不会被所述低通滤波器所过滤。
[0042]
通过使用可变电阻可以特别精确地确定相应的系统参量、例如作为时间的函数的温度。
[0043]
(pa5)在本发明的另一种有利的设计方案中,附加地在第三时刻确定第三实际电压值,所述第三时刻设置在所述第二时刻之后,其中
[0044]-确定在所述第一实际电压值与所述第二实际电压值之间的第一差值,
[0045]-确定在所述第二实际电压值与所述第三实际电压值之间的第二差值,
[0046]-当所述第一差值和所述第二差值分别低于或超过阈值时,提供警告信号。
[0047]
有利地,所述第三时刻在时间上设置在切换过程之后的两倍时间常数之后。
[0048]
优选地,根据电容和电阻,在切换过程之后的1至1.5毫秒的时间范围内确定所述第三电压值。备选地,所述第三时刻在第二时刻之后在所述时间常数的0.5倍至1.5倍之间、优选一个时间常数处。
[0049]
优选地,借助所述电压检测单元进行对第二和第三电压值的检测。优选地,通过所述切换过程相应地触发对电压值的检测。
[0050]
可选地,也通过触发信号实现对相应的电压信号的检测,所述触发信号用于触发所述切换过程和/或所述电压检测单元。
[0051]
通过在所述切换过程之后的第二和第三时刻记录两个电压值能够:
[0052]-识别出在检测所述第二电压值时可能出现的错误;
[0053]-改进地确定相应的时间常数,以及
[0054]-在监控所述低通滤波器时实现提高的运行安全。
[0055]
(pa6)在本发明的一种有利的设计方案中,所述电阻是电池单体的内电阻。
[0056]
有利地,所述电阻是一个电池单体或多个电池单体的内电阻。
[0057]
该方法的设计方案基于如下观察:借助对电池单体的内电阻的确定能够推断出充电状态(soc,state-of-charge)。
[0058]
由于所述至少一个电池单体的充电状态仅缓慢地变化并且因此所述电阻仅缓慢地变化,所以可以借助在此所描述的方法来确定所述至少一个电池单体的充电状态。
[0059]
有利地,借助所述电压检测装置确定相应的差值,其中,所述至少一个电池单体在一个持续时间、例如1至10毫秒、优选2毫秒内通过另一个电阻和一个开关放电。在此,所述另一个电阻与所述至少一个电池单体并联连接。有利地,所述开关与所述电阻串联连接。有
利地,至少一个电容与所述至少一个电池单体的相应极和接地连接。
[0060]
一种有利的用于检查至少一个电池单体的充电状态的方法能以如下装置来进行,该装置具有:
[0061]-至少一个电池单体,其中,在相应的电池单体的正极和所述电池单体的负极上分接电压,开关经由电阻连接所述正极和负极,电容与所述电阻并联连接,并且所述方法至少具有以下步骤:
[0062]-在第一时刻检测第一电压值;
[0063]-进行切换过程,从而实现在相应的电池单体的正极与负极之间的连接;
[0064]-在第二时刻检测第二电压值;
[0065]-可选地,在第三时刻检测第三电压值;
[0066]-确定第一差值并且可选地确定第二差值;
[0067]-确定相应的电池单体的充电状态和/或提供警告信号,只要相应的差值高于可预先给定的阈值。
[0068]
通过上面描述的设计方案能够有利地不仅确定低通滤波器或者电容器的功能而且能确定电池单体的充电状态。
[0069]
(pa7旧)在本发明的另一种有利的设计方案中,在电池单体的充电过程期间进行检查,
[0070]-其中,在所述电池单体的充电过程之前检测第一电压值,并且在所述电池单体的充电过程期间检测第二电压值,
[0071]
和/或
[0072]-其中,在所述电池单体的充电过程期间检测第一电压值,并且在所述电池单体的充电过程之后检测第二电压值。
[0073]
借助上述设计方案不仅能够检查或监控相应的电池单体的充电状态而且可以检查或监控低通滤波器的功能。
[0074]
通过有规律地监控所述低通滤波器、例如每小时进行一次检查,也可以监控相应的电池单体的状态。
[0075]
(pa7)在本发明的另一种有利的设计方案中,在第二时刻之后进行另外的切换过程,所述另外的切换过程将电压从第二额定电压值切换到第一额定电压值,在所述另外的切换过程之后检测相应的电压值,并且由相应的实际电压值确定相应的差值。
[0076]
优选地,在切换过程之后5至15毫秒进行所述另外的切换过程。
[0077]
特别有利地,以周期性的方式重复上述方法,从而将额定电压值周期性地在第一额定电压值与第二额定电压值之间来回切换。有利地,在相应的切换过程之后进行对低通滤波器的检查。
[0078]
有利地,周期性地重复第一切换过程和所述另外的切换过程。
[0079]
通过定期地检查所述低通滤波器,能够提早地识别电池或电池管理系统的故障。
[0080]
(pa8)在本发明的另一种有利的设计方案中,在电池管理系统或电压检测单元的功能检查期间、特别是在“工序末端(end-of-line)”测试期间进行对电压值的确定。
[0081]
优选地,在组装包括低通滤波器的装置期间或之后实施所述方法。
[0082]
通过测试所述电阻和/或所述电容器的功能,能够以特别简单的方式检查装置的
功能。特别有利地,在装置第一次完成之后对所述低通滤波器或所述电容器进行监控或检查。这种直接在完成之后进行的测试也被称作“工序末端”测试。特别有利地,在此所描述的方法可以附加地或代替所谓的电路内测试(in-circuit-test)来进行。
[0083]
特别有利地,借助所述装置的控制装置(例如构造为asic模块)来确定所述电压值。有利地,借助所述asic模块进行切换过程和对电压值的检测以及触发所述至少一个切换过程和/或触发所述电压检测装置。
[0084]
通过在所述装置完成之后第一次开始所述方法,可以自动实施一般的“工序末端”检查的一部分。由此,特别是能够提高所述装置的功能安全性。
[0085]
对装置的说明
[0086]
(pa9)在本发明的另一种有利的设计方案中,所述低通滤波器配设给至少一个电池单体,其中,所述装置包括具有电容器的低通滤波器和电阻以及至少一个开关,其中,构造有电压检测单元用于确定在电容上的电压值,其中,所述装置构造用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
[0087]
所述装置优选集成在电池管理系统中或配设给这样的电池管理系统。
[0088]
(pa10)在本发明的另一个有利的设计方案中,所述装置具有asic模块,其中,所述asic模块包括所述至少一个开关和所述电压确定单元。
[0089]
这样的asic模块特别有利地已经存在于电池管理系统中。在这种情况下,能够使用电池管理系统的已经存在的asic模块。
[0090]
优选地,所述asic包括相应的开关,其中,相应的开关构造用于实施所述切换过程。
[0091]
优选地,所述asic进一步构造用于提供参考电压。所述参考电压可以是第一额定电压值或第二额定电压值。所述参考电压也可以由分压器提供,其中,该分压器布置在asic模块与低通滤波器、特别是电容器之间。此外,所述分压器可以集成到所述低通滤波器中。
[0092]
对电池管理系统的说明
[0093]
(pa11)用于至少一个电池单体的电池管理系统具有上面描述的装置。
[0094]
电池单体可以理解为一个唯一的电池单体或者也可以理解为多个彼此串联连接的和/或并联连接的电池单体。
[0095]
有利地,所述电池管理系统包括asic模块,其中,借助所述asic模块实施上述方法。
[0096]
备选地或附加地,所述电池管理系统可以构造用于根据在上文中说明的方法监控电容器和/或电阻。
[0097]
对电池的说明
[0098]
(pa12)所述电池、特别是构造用于在车辆中使用的电池包括根据前述权利要求所述的电池管理系统。
[0099]
优选地,所述电池构造成双电压电池、例如针对12伏特和48伏特的双电压电池。备选地,所述电池构造成高电压电池、优选构造成具有400伏特至1000伏特的输出电压的电池。
[0100]
对车辆的说明
[0101]
(pa13)所述车辆优选构造成汽车、特别是构造成至少部分电驱动的汽车。备选地,
所述车辆也可以是轨道车辆。
[0102]
本发明的应用
[0103]
借助所述装置和所述方法可以监控电阻、特别是可变电阻和电容或者说电容器、低通滤波器的功能故障,所述电阻和电容器分别是低通滤波器的一部分。此外,所述方法能够在低通滤波器能正常工作的情况下经由电池或者电池单体的内电阻监控充电状态。
[0104]
总之,本发明涉及一种用于监控低通滤波器、优选在低通滤波器中的电容器的方法和装置。此外,本发明涉及一种电池管理系统以及一种具有这样的电池管理系统的电池。所述装置包括开关和电容器,其中,所述开关与电阻串联连接,所述电容器与所述电阻并联连接。只要所述开关实施切换过程,电压就在非常短的时间内从第一电压值变化到第二电压值。在这种情况下,所述电容器用于使电压减慢地上升/下降。借助于电压检测装置,在切换时以及在至少一个另外的时刻(根据电阻和电容的不同,在0.5至5毫秒之后)确定电压。通过确定从第一电压值到第二电压值的变化速率,可以确定电容器是否能正常工作和/或确定电阻。此外,通过确定电池单体的内电阻可以确定电池的充电状态。
附图说明
[0105]
下面借助附图详细说明和阐述本发明。在附图中示出的各个特征可以组合成本发明的其它实施方式,而不脱离本发明的范畴。至少所描述的实施方式无论如何都不限制本发明。
[0106]
图中:
[0107]
图1示出一种可行的装置;
[0108]
图2示出另一种可行的装置;
[0109]
图3示出另一种可行的装置;
[0110]
图4示出电压变化曲线。
具体实施方式
[0111]
图1示出一种可行的装置。该装置包括具有电容的电容器cx,其中,电容器cx与可变电阻rx构成低通滤波器。所述可变电阻优选构造成与温度相关的电阻、特别是ntc(negative temperatur coefficient termistor,负温度系数热敏电阻)。所述电阻rx优选用于确定电池单体b1或电池的温度。
[0112]
电容器cx的电容和电阻rx被加载电压u。所述电压u可以是参考电压u-ref,其中,所述参考电压u-ref可以由分压器提供,如以虚线示出的电阻r*所示的那样。特别有利地,所述参考电压u-ref可以由asic模块a提供。
[0113]
利用开关s1可以将电压u切换成接地或者切换到第二额定电压值u2。通过电压u的改变,所述低通滤波器激活。只要电容器cx是能正常工作的,则电容器cx上的电压u不直接下降,而是电容器cx通过可变电阻rx放电。电压u的这种减慢下降可以利用电压确定单元m来检测。电压确定单元m有利地与电容器cx并联连接。
[0114]
优选地,asic模块a用作电压源。asic模块a优选也包括电压确定单元m以及开关s1。
[0115]
可选地,另一个电阻r可以连接在所述电容器cx与所述可变电阻rx之间。
[0116]
在电容器cx能正常工作的情况下,在开关s1闭合之后,电荷的一部分流动通过所述可变电阻rx,使得电压u减慢地下降。通过特别是在第一时刻t1、第二时刻t2以及可选地还在第三时刻t3将电压作为时间t的函数检测,可以确定电压下降、特别是根据电压差diff1、diff2确定电压下降。
[0117]
借助所述电压确定单元m特别是可以检查电容器cx是否能正常工作。一般,不能正常工作的电容器cx具有无限的电阻而不是对于非恒定电压的电容性电阻,也就是说,不能正常工作的电容器表现为类似于中断的线路。因此,电压u会在非常短的时间t内下降到零伏特或下降到第二额定电压值。在第一时刻t1,电压u已经下降到零伏特或者下降到第二额定电压值。在第二时刻t2和第三时刻,电容器cx上的电压将处于第二额定电压值u2或者零伏特。
[0118]
因此,第一实际电压值u1和第二实际电压值u2的差是各额定电压值的差。一般预先给定阈值,该阈值具有低于各额定电压值之差的值。因此,在电容器cx或电阻rx有故障时输出报警信号s。
[0119]
图2示出另一种可行的装置。在这里示出的装置与上面描述的装置的区别在于,除了可变电阻rx之外,在可变电阻rx与相应的开关s1、s2之间还连接有另一个电阻r。为了提供额定电压值u1、u2,根据在此所示的实施方案存在第一开关s1和第二开关s2。借助相应的开关s1、s2,电压u可以被切换到正额定电压值+u或负额定电压值-u。
[0120]
此外,该可行的实施方案包括另外的电容器c,所述另外的电容器与电容器cx并联连接。优选地,所述另外的电容器c具有与电容器cx不同的电容c,从而借助在此示出的实施方案能够测试所述电容器cx、c中的哪个是有故障的。
[0121]
此外,asic模块a包括第一开关s1和第二开关s2,其中,第一开关s1和第二开关s2这样布置和连接,使得电压u能够具有三个电压水平+u、u-ref、-u。此外,asic模块a包括两个电压确定单元m,其中,各电压确定单元m布置在相应的开关s1、s2与电压抽头之间。备选地或附加地,电压确定单元m可以插入到所述两个开关s1、s2与电阻r之间。
[0122]
通过这两个电压抽头,例如可以在正电压+u与负电压-u之间设定正电压下降和负电压下降。通过在此示出的结构,可以这样测试包括电阻r、rx和电容器c、cx的低通滤波器。
[0123]
在第二开关s2的切换过程中,电压u从零伏特下降到负值-u。通过电容器c、cx和电阻r、rx降低电压降的时间常数。这可以借助相应的电压确定单元m来检测。所述电压降可以根据以下函数来描述:
[0124]
u(t)=
±
u(t1)
·
exp(-t/(rx
·
cx))
[0125]
在此,rx表示总电阻,并且cx表示电容器的总电容。此外,exp表示指数函数。电压u(t1)相应于在快要进行切换过程前或在切换过程中的第一实际电压值u1。最后,对于第一和第二实际电压值u2、u3适用:
[0126]
u2=u(t2)=
±
u(t1)
·
exp(-t2/(rx
·
cx))
[0127]
u3=u(t3)=
±
u(t1)
·
exp(-t3/(rx
·
cx))
[0128]
图3示出另一种可行的装置。在此示出的装置特别是用于确定电池单体b1的充电状态。一般(内)电阻rx在电池单体b1充电时改变。asic模块用于提供电压u。此外,asic模块a包括开关s1并且可选地包括另外的电阻r(未示出)。asic模块a的输出端分别与电池单体b1的极连接。所述连接中的至少一个连接通过电容cx接地。可选地,也可以两个连接分别通
过一个电容cx接地。
[0129]
通过确定电阻rx,既可以确定电容器cx,也可以确定电池单体b1或具有所述电池单体的电池的充电状态。优选地,可以将相应的电池单体b1的充电过程或放电过程短暂地中断。
[0130]
在第一种情况下以电容器cx能正常工作为出发点。那么可以在电池单体b1的充电过程之前、期间和/或在电池单体b1的充电过程之后确定电压降。
[0131]
图4示出电压变化曲线。所述电压变化曲线示出作为时间t的函数的电压u的变化曲线。所述电压变化曲线在第一时刻t1通过切换过程在第一时刻t1被切换到第二额定电压值u2。通过所述低通滤波器实现电压u的作为时间t的函数的减慢下降。在后面的时刻、例如在切换过程之后大约10毫秒,另一个切换过程将第二额定电压值调高到第一额定电压值。示出作为时间t的函数的借助电压确定单元m检测的电压u。
[0132]
为了更好的区分,以虚线示出额定电压值。而实际电压的时间变化曲线作为实线示出。
[0133]
在切换过程之前,在第一时刻t1借助电压检测单元m检测第一实际电压值u1。
[0134]
在切换过程之后在第二时刻t1,借助电压检测单元m检测第二实际电压值u2。然后确定第一实际电压值u1与第二实际电压值u2的第一差值diff1。
[0135]
可选地,在第三时刻t3检测第三实际电压值u3。以第三实际电压值u3可以确定在第二实际电压值u2与第三实际电压值u3之间的第二差值diff2。
[0136]
借助第一差值diff1和可选地借助第二差值diff2能够分别确定时间常数k,其中,所述时间常数k对应于电阻r、rx、特别是可变电阻rx和(电容器cx和可选地所述另外的电容器c的)电容cx的乘积。
[0137]
通过确定至少一个差值diff1、diff2能够确定,电容器cx或所述另外的电容器c以及因此低通滤波器是否能正常工作。只要两个差值diff1、diff2等于零,就能够从相应的开关s1、s2的功能故障出发。
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